Vì sao khử mặn nước biển lại khó?
(practical.engineering)- Carlsbad Desalination Plant gần San Diego tạo ra khoảng 50 triệu gallon hay 23.000㎥ nước ngọt mỗi ngày, cung cấp khoảng 10% lượng nước ngọt của khu vực, nhưng hơn 18.000 nhà máy khử mặn trên toàn thế giới vẫn chỉ đảm nhiệm chưa tới 1% nhu cầu nước toàn cầu
- Nước biển thường chứa khoảng 35g muối trên mỗi lít, nên để đạt mức có thể uống được dưới 1‰ hoặc ngưỡng nước ngọt 500ppm thì cần loại bỏ hơn 98% lượng muối
- Chưng cất có nguyên lý đơn giản nhưng trong thí nghiệm cần khoảng 2 giờ và 1kWh để tạo ra 200ml, còn thiết bị hiện đại nâng hiệu suất nhiệt nhờ nhiệt thải, bay hơi nhiều cấp và giảm áp
- Thẩm thấu ngược (RO) đẩy nước qua màng bằng áp suất cao khoảng 600psi; thiết bị thử nghiệm cần khoảng 5 phút và 1.200W cho 1 lít, nhưng nhà máy RO hiện đại có thể hạ xuống 1~2kWh cho mỗi 1㎥
- Chi phí thực tế còn chồng thêm tiền xử lý, vệ sinh và thay màng hoặc thiết bị bay hơi, hậu xử lý, xử lý nước muối đậm đặc, giá điện và cả rủi ro kỹ thuật, pháp lý, chính trị, môi trường, nên thường khó biện minh hơn các nguồn nước khác
Những con số cơ bản mà khử mặn phải đối mặt
- Carlsbad Desalination Plant gần San Diego, California hút nước trực tiếp từ biển để sản xuất khoảng 50 triệu gallon hoặc 23.000㎥ nước ngọt mỗi ngày
- Sản lượng này tương đương khoảng 10% lượng nước ngọt của khu vực
- Trên toàn thế giới đang có hơn 18.000 nhà máy khử mặn hoạt động, nhưng lượng nước họ cung cấp vẫn chiếm chưa tới 1% nhu cầu nước toàn cầu
- Các nhà máy khử mặn tiêu thụ tới một phần tư tổng năng lượng dùng trong toàn ngành nước
- Độ mặn của nước biển thay đổi đôi chút theo khu vực và mùa, nhưng thông thường chứa khoảng 35g muối hòa tan trong mỗi lít
- Tức là 35‰, hay 35 parts per thousand theo đơn vị phần nghìn
- Dung dịch nước muối sinh lý dùng trong y tế vào khoảng 9‰ và gần như đẳng trương (isotonic) với máu, nhưng nồng độ này vẫn không cho cảm giác dễ uống
- World Health Organization cho rằng khi tổng chất rắn hòa tan vượt quá 1‰ thì người tiêu dùng nói chung khó chấp nhận
- Ngưỡng thông thường của nước ngọt là 500ppm, tức 0,5‰, và đây là tổng của mọi chất rắn hòa tan chứ không chỉ muối
- Để biến nước biển thành nước có thể uống được, cần loại bỏ hơn 98% lượng muối
Chưng cất đơn giản nhưng bị giới hạn bởi năng lượng và quy mô
- Chưng cất là phương pháp khử mặn lâu đời và trực quan nhất: giữ muối lại, đun nước thành hơi rồi ngưng tụ lại
- Trong thiết bị thí nghiệm, nước biển tự pha được cho vào bình cầu, đun bằng hot plate, rồi cho nước làm mát tuần hoàn để biến hơi nước trở lại thành chất lỏng
- Sản phẩm đầu ra gần như không còn chất rắn hòa tan, chỉ ở mức vài ppm, nhưng để thu được 200ml cần khoảng 2 giờ và khoảng 1kWh điện
- Nếu lấy mức dùng nước hằng ngày của một hộ gia đình Mỹ là khoảng 300 gallon, tức 1.100 lít, thì phải mở rộng thiết bị thí nghiệm có cùng hiệu suất lên khoảng 500 lần
- Khi đó sẽ cần khoảng 6.000kWh mỗi ngày
- Theo giá điện dân dụng trung bình ở Mỹ, chi phí vào khoảng 800 USD mỗi ngày
- Thiết bị chưng cất hiện đại được thiết kế hiệu quả hơn nhiều so với mô hình thí nghiệm
- Có trường hợp được đặt cùng nhà máy nhiệt điện than hoặc khí để tận dụng nhiệt thải
- Nhiệt tạo ra trong quá trình ngưng tụ được tái sử dụng
- Dùng nhiều cấp để làm bay hơi chất lỏng hiệu quả hơn
- Dùng bơm để hạ áp, từ đó tạo bay hơi bằng cơ học
- Chưng cất còn vướng vấn đề cáu cặn (scale)
- Khi nước sôi và biến mất, cặn muối tích tụ sẽ cản trở truyền nhiệt và làm giảm hiệu suất
- Các chất lắng này phải được vệ sinh định kỳ
- Flash evaporator đưa dòng chất lỏng qua van giãn nở để tạo bay hơi ở nhiệt độ thấp hơn điểm sôi, nhờ đó giảm tích tụ cáu cặn
- Đây là thiết bị chủ chốt đã sản xuất nước ngọt một cách tin cậy trong các nhà máy khử mặn kiểu chưng cất suốt nhiều thập kỷ, bao gồm cả ở Trung Đông
Thẩm thấu ngược hiệu quả hơn nhưng áp suất và quản lý màng là then chốt
- Thẩm thấu ngược (reverse osmosis, RO) là cách dùng áp suất để đẩy ngược hiện tượng thẩm thấu vốn diễn ra tự nhiên qua một màng
- Màng nước biển dùng trong thí nghiệm được cuộn theo dạng xoắn để tạo diện tích bề mặt lớn trong một gói nhỏ
- Nó giống một bộ lọc cho nước đi qua nhưng giữ lại chất rắn hòa tan, chỉ là hoạt động ở quy mô nhỏ hơn nhiều
- Phần lớn các nhà máy khử mặn hiện đại dùng RO làm phương thức tách chính
- Nhìn chung nó hiệu quả hơn nhiều so với chưng cất nhiệt
- Dù vậy vẫn tiêu tốn năng lượng hơn rất nhiều so với nhà máy xử lý nước thô thông thường
- Thiết bị thí nghiệm dùng áp suất khoảng 600psi, tức khoảng 40 lần áp suất khí quyển bình thường
- Ngay cả hệ RO cỡ nhỏ cũng cần bơm cao áp để chạy trong thời gian dài
- Trong thí nghiệm, thay vì dùng bơm chuyên dụng, người ta dùng máy rửa áp lực giá rẻ
- Trong RO, không phải toàn bộ nước đầu vào đều đi qua màng
- Phần lớn nước sẽ đi vòng qua màng và bị xả ra dưới dạng brine đậm mặn hơn
- Phần nước đi qua màng là permeate, chảy ra ở tâm vỏ màng
- Nếu đóng van nước muối đậm đặc, áp suất trong vỏ màng tăng lên và lưu lượng permeate cũng tăng, nhưng nếu không còn nước để rửa muối thì màng sẽ bị bẩn
- Màng thường cần cho nước chạy qua vài giờ mới đạt gần mức hiệu suất tối ưu
- Máy rửa áp lực dùng trong thí nghiệm khó có thể chạy lâu đến vậy
- Sau khoảng 30 phút, nước thu được có tổng chất rắn hòa tan ở mức 1~2‰; chưa phải nước uống chất lượng cao nhưng vẫn có thể uống
- Trong thí nghiệm, tổng công suất của bơm tăng áp và máy rửa áp lực là khoảng 1.200W, và để tạo ra 1 lít nước mất khoảng 5 phút
- Muốn tạo 300 gallon mỗi ngày thì phải cho 4 máy rửa áp lực chạy liên tục
- Cần hơn 100kWh mỗi ngày, với chi phí khoảng 15 USD/ngày hoặc hơn 5.000 USD/năm
- Các nhà máy RO đời mới dùng rack màng lớn chất lượng cao, bơm hiệu suất cao và thiết bị thu hồi năng lượng từ dòng nước muối đậm đặc
- Thiết bị thí nghiệm cần khoảng 100kWh để xử lý 1㎥ nước biển, tức 264 gallon
- Nhà máy RO hiện đại có thể xử lý cùng lượng đó chỉ với 1~2kWh
Chi phí thực tế tăng mạnh bên ngoài riêng công đoạn tách muối
- Nhà máy khử mặn nước biển thực tế không bắt đầu bằng nước máy như trong thí nghiệm, mà phải xử lý nước biển thô chứa đất, tảo, chất hữu cơ và nhiều chất ô nhiễm khác ngoài muối
- Những thành phần này có thể làm bẩn hoặc làm hỏng thiết bị bay hơi hay màng, nên mọi nhà máy khử mặn đều phải thực hiện tiền xử lý trước
- Tiền xử lý phát sinh chi phí hóa chất và bảo trì bộ lọc
- Khoản chi phí và năng lượng này đã xuất hiện trước cả giai đoạn tách muối
- Dù tiền xử lý tốt đến đâu, màng RO hay thiết bị bay hơi vẫn phải dừng hoạt động định kỳ để vệ sinh
- Theo thời gian, chúng cũng cần được thay thế
- Nước permeate của RO hay nước cất thường không thể gửi thẳng đến khách hàng
- Vì nước quá tinh khiết nên thường cần hậu xử lý để bổ sung lại khoáng chất, tạo vị mà đa số người dùng ưa thích
- Cũng phải thêm chất khử trùng để tránh bị nhiễm bẩn khi đi qua hệ thống phân phối
- Brine là dòng thải mà lượng muối tách khỏi nước sản phẩm bị dồn vào một thể tích nước nhỏ hơn
- Nhà máy khử mặn hiện đại thường chỉ thu hồi khoảng một nửa lượng nước đầu vào
- Vì vậy nước muối đậm đặc thường có độ mặn cao gấp khoảng 2 lần nước biển thông thường
- Nếu xả trực tiếp dòng brine có độ mặn cao ra biển, nó có thể gây tác động môi trường đến thực vật và động vật gần đáy biển
- Lý do là dung dịch đậm đặc thường chìm xuống
- Nhiều đường ống xả dùng diffuser để pha loãng nhanh nước mặn
- Cũng có thể trộn với các dòng nước khác như nước làm mát của nhà máy điện hoặc nước từ hệ xử lý nước thải trước khi xả ra
- Nếu không thể áp dụng các cách này, một số nhà máy phải bơm nước muối xuống lòng đất, và đây là phương án tốn kém
Khử mặn cạnh tranh với các nguồn nước khác như thế nào
- Vòng tuần hoàn nước trong tự nhiên vốn đã dùng năng lượng mặt trời để chưng cất nước biển, vận chuyển vào đất liền và cho rơi trở lại bề mặt
- Đập, hồ chứa, kênh dẫn, trạm bơm và công trình lấy nước mặt cũng có chi phí lớn và tác động môi trường đáng kể, nhưng với mức chi phí và nhu cầu năng lượng khổng lồ của khử mặn nước biển, ở một số khu vực đông dân còn có thể xây dựng và vận hành các tuyến ống dài như một phương án thay thế
- Khử mặn trông có vẻ đơn giản, nhưng khi cộng toàn bộ chi phí và độ phức tạp thực tế thì thường khó biện minh hơn các lựa chọn khác
- Tương tự điện hạt nhân: bề ngoài có vẻ đơn giản nhưng triển khai thực tế rất phức tạp
- Vì là công nghệ tương đối mới nên khó dự đoán hết các vấn đề kỹ thuật, pháp lý, chính trị và môi trường ẩn bên dưới
- Do nhu cầu năng lượng cao, khử mặn có thể gắn chặt chi phí nước với chi phí điện
- Trong thời kỳ hạn hán, chi phí thủy điện có thể tăng
- Khi tổng chi phí năng lượng tăng lên, khử mặn có thể mất tính kinh tế đúng vào lúc nó cần thiết nhất
- Ở những nơi có dân số lớn và thiếu nước nghiêm trọng, khử mặn có thể là giải pháp khả thi
- Các nhà máy lớn nhất nằm ở những nước Trung Đông như Saudi Arabia và UAE
- Ở các khu vực có biến động khí hậu mạnh như California, Texas, Florida, nó cũng có thể là một phần trong danh mục nguồn cung nước
- Nước khử mặn đắt hơn nước sông, hồ chứa hay nước ngầm, nhưng trong điều kiện hạn hán khi các nguồn khác bị hạn chế hoặc không thể dùng, nó có thể đáng tin cậy hơn
- Ở những nơi có cửa sông hoặc tầng nước ngầm lợ với độ mặn thấp hơn nước biển, khử mặn có thể trở thành nguồn nước ngọt hiệu quả về chi phí hơn nhiều
Rủi ro khu vực tư nhân và tín hiệu từ dự án Carlsbad
- Khi khu vực tư nhân gánh phần rủi ro, tính khả thi triển khai các dự án khử mặn có thể tăng lên
- Nhiều nhà máy khử mặn quy mô lớn vận hành theo mô hình hợp tác với công ty nước tư nhân, thay vì để utility công trực tiếp huy động vốn, xây dựng và vận hành như một nhà máy xử lý thông thường
- Thông qua hợp đồng mua nước, utility có thể chuyển chi phí tài chính và rủi ro vận hành sang công ty tư nhân, đồng thời có được cấu trúc mua nước ổn định
- Điều này cũng giảm gánh nặng cho hội đồng quản lý nhà nước trong việc phải trực tiếp ra quyết định về các vấn đề kỹ thuật phức tạp và đổi mới còn ít tiền lệ
- Công ty tư nhân vận hành nhà máy Carlsbad ở San Diego County đang triển khai cơ sở lấy nước biển độc lập cần thiết sau khi nhà máy điện bên cạnh đóng cửa vào năm 2018, với mục tiêu hoàn thành vào năm 2024
- Trái phiếu của dự án này đã được Fitch nâng hạng lên BBB
- Điều đó cho thấy triển vọng của cơ sở này được đánh giá là tương đối ổn định và khả năng vỡ nợ thấp
- Đây chỉ là đánh giá của một tổ chức xếp hạng đối với một dự án và một nhà máy dùng màng cụ thể, nhưng vẫn là tín hiệu cho thấy công nghệ khử mặn đang tiến bộ
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Có cảm giác bài viết này hơi né tránh câu hỏi cốt lõi
Tôi không phải nhà vật lý, nhưng nếu bỏ qua một vài công đoạn đặc biệt như tia cực tím hay oxy hóa kim loại nặng, thì phần lớn quá trình lọc gần với lọc cơ học hơn, nơi các bộ lọc có lỗ ngày càng nhỏ sẽ giữ lại vi khuẩn và hạt vật chất, tia UV phân hủy virus, còn chất oxy hóa làm kết tủa kim loại
Nhưng muối thì khác: tính lưỡng cực của nước tách liên kết ion ra và bao quanh từng ion bằng lớp vỏ hydrat hóa, nên chúng quá nhỏ để nhắm mục tiêu bằng kích thước lỗ lọc và lại ổn định về mặt nhiệt động lực học, vì thế phải cấp năng lượng như bay hơi, chưng cất hoặc phản ứng kết tủa
Vì vậy người ta dùng thẩm thấu ngược như một giải pháp rẻ hơn: tạo áp suất cao lên màng bán thấm để các phân tử nước đi qua còn ion bị giữ lại trong dòng nước muối đậm đặc, tốn ít năng lượng hơn nhưng lại phát sinh chất thải lỏng cần xử lý
Dù dùng cách nào thì cuối cùng bạn vẫn phải xử lý đống muối đã tách ra ở đâu đó
Vật liệu polymer là chất rắn vô định hình có các khe hở tạm thời xuất hiện rồi biến mất do chuyển động nhiệt, và không được mô hình hóa như các “lỗ” tồn tại lâu dài mà như một pha lưu chất gồm polymer + nước
Cũng có những vật liệu có lỗ được xác định rõ như MOF hay zeolite, nhưng ngay cả trong trường hợp đó, nước vẫn được hấp phụ vào không gian lỗ như một chất lỏng, còn sự di chuyển giữa các lỗ hoạt động như các cổng chuyển tiếp
Trên thực tế, trong các polymer dùng cho khử muối, nước đi vào rất tốt bất kể có muối hay không, nên cách giải thích rằng “lỗ nhỏ đến mức bình thường nước không thể đi qua” là không đúng
Ngay cả trong những polymer có thể giữ lượng nước bằng 50% trọng lượng bản thân và không hình thành băng, người ta vẫn có thể lọc bỏ hơn 90% muối ở áp suất trên 3000psi
Nếu không có áp suất thì muối và nước sẽ đi qua mà không có tính chọn lọc, nên đây không phải là việc sàng lọc nước ra khỏi ion theo nghĩa vật lý, mà đúng hơn là áp suất làm thay đổi hoạt độ của nước, khiến nước hòa tan vào polymer tốt hơn và di chuyển nhanh hơn bên trong polymer để tạo ra khử muối
Nếu đọc kỹ thì nó có đề cập đến nhiều phương pháp khử muối như chưng cất và thẩm thấu, và phần kết cũng khá rõ ràng
Khử muối trông có vẻ đơn giản, nhưng khi cộng cả chi phí và độ phức tạp thực tế vào thì khó biện minh hơn so với các phương án khác, đặc biệt vì nhu cầu năng lượng cao khiến giá nước gắn chặt với giá điện
Điểm mấu chốt là khi hạn hán làm chi phí thủy điện tăng lên thì tổng chi phí điện cũng tăng, và đúng vào lúc cần nhất thì tính kinh tế của khử muối có thể lại giảm đi
Nói đơn giản hơn, giữa nước biển và nước ngọt có thể uống được tồn tại chênh lệch năng lượng và entropy, và không thể đi xuống dưới mức chi phí tối thiểu đó
Dù dùng phương pháp nào thì các chất rắn hòa tan trước đó cũng sẽ bám lại trên bề mặt và trong đường ống hoặc còn sót lại đâu đó, và việc làm sao bóc chúng ra rồi xử lý cũng là một vấn đề
Cuối cùng, giấc mơ có được gọn gàng một chai nước không màu không vị và một đống bột mịn là rất khó; trong thực tế thường là trả lại lượng nước mặn hơn về nguồn nước ban đầu và hy vọng không có quá nhiều cá chết
Cách làm là làm cho nước muối nóng hơn để áp suất hơi của hơi nước phía trên nước muối bằng với áp suất hơi phía trên các giọt nước không muối hình thành ở phía lạnh hơn
Sau đó nén hơi nước lại để nó ngưng tụ ở nhiệt độ chỉ nhỉnh hơn nước muối một chút, rồi đưa nước cất và phần nước muối còn lại qua các bộ trao đổi nhiệt ngược dòng riêng để gia nhiệt trước cho nước biển đầu vào đến nhiệt độ vận hành của tháp
Về mặt nhiệt động lực học, cách này có thể sánh ngang với quy trình thẩm thấu ngược có cùng điều kiện đầu vào và đầu ra, và cũng cần bơm cùng tua-bin để cân bằng chất lỏng giữa áp suất môi trường và áp suất vận hành bên trong với tổn thất thấp
Ưu điểm là nếu làm nóng trực tiếp nước muối bằng bộ thu nhiệt mặt trời thì có thể ngưng tụ mà không cần nén hơi, nên có thể vận hành như một bơm nhiệt hấp thụ loại 1 hở dùng năng lượng mặt trời
Khử muối rẻ hơn tưởng tượng
Nước khử muối có giá khoảng 50 cent cho mỗi 1000 lít, tương đương gần với lượng nước một hộ gia đình Mỹ điển hình dùng trong một ngày
Nếu có thể cung cấp nước đã khử muối hoàn toàn với giá 50 cent mỗi ngày thì đó là mức rẻ đáng kinh ngạc
Nếu bạn quan tâm đến chính sách nước và quản lý, kỹ thuật tài nguyên nước thì tôi rất khuyến nghị "Let There Be Water: Israel's Solution for a Water-Starved World"
https://en.wikipedia.org/wiki/Desalination#Costs
Như California cho thấy, điều đó khả thi, nhưng như Central Valley cũng cho thấy, nó không thể cung cấp nước ngọt cho nông nghiệp ở quy mô lớn
Ngay cả ở California, nơi thiếu nước kéo dài, thì tổng lượng nước dùng cho dân cư, thương mại và công nghiệp, kể cả tưới cảnh quan và sân golf, cũng chỉ chiếm khoảng 10~20% tùy theo lượng mưa
Sản xuất thực phẩm, nước cho công nghiệp, v.v. là chuyện khác
Bài viết cho thấy khá rõ những cân nhắc bổ sung ngoài việc xử lý nước thực tế, và cũng nói rằng trong nhiều mục đích thì nó thực tiễn
Mức giá tiêu dùng cơ bản thông thường ở Irvine, CA là 1,78 USD cho 748 gallon, gần 3000 lít, tức còn đắt hơn
Tất nhiên con số kia là chi phí sản xuất, và giá đến tay người dùng sau phân phối cùng bảo trì sau nhà máy xử lý sẽ cao hơn, nhưng vẫn có vẻ nằm trong phạm vi hợp lý
Hơi lạc đề một chút, nhưng bài có nhắc đến cơ sở khử muối Carlsbad, và nếu bạn đến San Diego và thích hàu thì tôi khuyên nên đi tour Carlsbad Aquafarm
Điều thú vị là trại nuôi hàu này đóng vai trò như bộ lọc tiền xử lý cho nhà máy khử muối, và giữa nhà máy với trại nuôi có mối quan hệ cộng sinh
Khử mặn về bản chất là đảo ngược một quá trình thu nhiệt nên chi phí năng lượng tương đối cao, và vì nước được dùng với khối lượng rất lớn nên quy mô cũng phải lớn
Quan trọng hơn hết là Trái Đất đã miễn phí thực hiện rất nhiều việc khử mặn cho chúng ta thông qua các quá trình địa chất, nên mức giá chuẩn của khử mặn gần như là 0 đô la mỗi lít
Hạ tầng để gom nước mưa, chặn sông và bơm nước ngầm không hoàn toàn miễn phí, nhưng chi phí cận biên cho mỗi lít tiếp theo là rất thấp
Vấn đề không hẳn là bản thân khử mặn khó, mà là khó làm nó ở mức siêu rẻ và siêu quy mô lớn
Nếu thực sự cần và có ý chí triển khai thì công nghệ cần thiết đã có sẵn rồi
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_supply_and_sanitation_in...
Vài năm trước tôi từng tham quan một quy trình làm si-rô lá phong với mục tiêu hoàn toàn ngược lại: cô đặc các chất hòa tan trong nước
Giai đoạn 1 dùng thẩm thấu ngược đến một mức nhất định, còn giai đoạn 2 thì đun sôi nhưng chủ động thu hồi nhiệt từ hơi nước để làm nóng trước chất lỏng đầu vào
Tất cả đều là những biện pháp để kiểm soát chi phí năng lượng
Cần thu hồi nhiệt thải nhiều nhất có thể
Về mặt lý thuyết, chưng cất liên tục có thể rất hiệu quả vì lấy ra lượng nhiệt tương đương với lượng đưa vào, nhưng trong thực tế vật liệu cách nhiệt, bơm, bộ trao đổi nhiệt v.v. không hề miễn phí, và hiệu quả kinh tế giảm dần rất nhanh khi quy mô tăng lên
Hay là phần tiết kiệm bị triệt tiêu bởi thể tích và khối lượng khi vận chuyển, xử lý, hoặc đơn giản là không có thị trường cho si-rô loãng nên người ta không làm?
Năm 2020, thiết bị chưng cất bằng năng lượng mặt trời của MIT đã cho thấy một quy trình chưng cất màng tiếp xúc gần tạo ra 1,5 gallon nước ngọt mỗi giờ trên 1 mét vuông
Với 10.000 mét vuông thiết bị này, có thể tạo ra 150.000 gallon nước ngọt trong 10 giờ vận hành bằng ánh nắng mặt trời
Điểm mấu chốt dường như là khoảng cách 1,2 cm hoặc 80 mm giữa các tấm khuếch tán, cho phép tận dụng đồng thời gia nhiệt bằng mặt trời, ngưng tụ và thu gom trong cùng một vùng
Tất nhiên vẫn còn vấn đề thu gom nước muối thải, nhưng có thể lặp lại cùng phương pháp 3 lần để dần hạ độ mặn xuống 2~3 phần nghìn, tức 0,2~0,3%
Xét theo năng lượng, cách làm của MIT đã đưa phương pháp năng lượng mặt trời thụ động vượt khá xa thẩm thấu ngược, nhưng về công suất nền thì thẩm thấu ngược vẫn có lợi thế khó vượt qua
https://news.mit.edu/2020/passive-solar-powered-water-desali...
Họ nói việc tiền xử lý nước bằng natri hydroxit là phổ biến và phải mua chất này, và ở đây họ đề xuất một cách tái sinh natri hydroxit từ dòng thải
https://news.mit.edu/2019/brine-desalianation-waste-sodium-h...
Có thể đây là một ý tưởng rất ngớ ngẩn, nhưng liệu có thể bơm nước biển lên một sa mạc nóng và khô, để nó bay hơi tự nhiên rồi thu lại thành mưa ngọt hay không?
Cần làm bay hơi bao nhiêu nước thì mới tăng lượng mưa một cách đáng kể?
https://www.youtube.com/watch?v=V2b7ztWvFOg
Ngay cả khi làm bay hơi nhiều nước, mưa cũng có thể sẽ không rơi xuống nơi cần thiết hoặc nơi có thể thu hồi được
Nhưng lượng mưa không tăng lên
Israel trái lại đang khử mặn nước để hồi sinh các con sông, và lượng nước đó cuối cùng có thể chảy tới Biển Chết
Nếu đang nói tới một quy mô lớn hơn nhiều, thì bản thân đại dương đã lớn hơn rất nhiều và nước vốn luôn bốc hơi từ bề mặt của nó
Con người không thể tạo ra một vùng bay hơi lớn hơn biển
Ngoài ra, nước bay hơi chủ yếu không phải vì nhiệt mà vì gió
Sa mạc có nhiều nhiệt nhưng tương đối ít gió, còn biển thì nhiều gió
Nếu làm bay hơi nước mặn thì sẽ còn lại một lượng đáng kể muối rắn, gợi nhớ đến tình trạng như Great Salt Lake
Chi phí năng lượng có thể phần nào là một lập luận rơm tùy theo điều kiện từng khu vực
California vào mùa xuân đang phải cắt giảm, tức là bỏ phí, một lượng năng lượng tái tạo khổng lồ
Nếu có thể dùng lượng năng lượng đó để khử mặn theo mùa và lưu trữ nước ngọt để dùng sau, thì nó sẽ hoạt động như một cục pin dịch chuyển thời gian khổng lồ, chuyển phần năng lượng dư thừa của mùa xuân sang mùa hè
Ngay cả năng lượng tái tạo khi dư thừa cũng vẫn có chi phí, và thời điểm xuất hiện điện dư có thể không khớp với nhu cầu nước
Hiện tại cũng như trong tương lai gần có khả năng vẫn không có đủ năng lượng tái tạo dư thừa để chưng cất dù chỉ một phần lượng nước ngọt tiêu thụ
Cuối cùng vẫn phải tính chi phí mỗi kWh điện dùng cho khử mặn, và ngay cả khi thiết kế nhà máy quá cỡ chỉ để tận dụng điện dư thì chi phí đó vẫn tồn tại
Mức giá này nhiều khả năng sẽ khiến chi phí nước chưng cất mỗi gallon cao hơn thẩm thấu ngược hoặc nước từ đường ống, nên khử mặn vẫn gần như là biện pháp cuối cùng khi mọi cách cung cấp nước ngọt khác đều gặp khó khăn về chi phí
Trong thời gian không vận hành thì không thể thu hồi vốn đầu tư, nên số tiền đó tốt hơn nên được dùng vào nơi khác chạy 24/7
Đặc biệt ở California, sự bay hơi sẽ lớn làm độ mặn tăng lên và hiệu suất cũng giảm đi
Không hẳn là khó, mà đúng hơn là đi ngược dốc về mặt năng lượng
Muốn đảo ngược entropy thì phải tốn năng lượng, và đó chính là định luật nhiệt động lực học thứ hai
Giá năng lượng tái tạo đang giảm nên chi phí cũng đang rẻ hơn
Giá điện lưới đến tay người tiêu dùng bao gồm lợi nhuận của nhà cung cấp năng lượng và chi phí đầu tư vào các hình thức phát điện truyền thống đắt đỏ như khí đốt, than đá và điện hạt nhân, nên không thể lấy nguyên xi để tính
Ở các vùng khô hạn nằm trong phạm vi 40 độ vĩ tuyến tính từ xích đạo, điện mặt trời phù hợp để sản xuất năng lượng quy mô lớn với chi phí thấp, ở mức vài cent mỗi kWh và trong tương lai gần có thể xuống dưới 1 cent
Nước có thể trữ trong hồ chứa, nên không nhất thiết phải khử mặn 24 giờ mỗi ngày
Cần khoảng 3kWh cho mỗi 1000 lít, và ngay cả nếu tính theo mức sử dụng nước hằng ngày kiểu lãng phí của một hộ gia đình ở Mỹ thì cũng chỉ ở mức vài cent mỗi hộ mỗi ngày
Không phải là hoàn toàn không đáng kể, nhưng khử mặn — thứ ở Mỹ thường bị xem như khoa học viễn tưởng — đã đủ rẻ để trở thành lời giải phổ biến ngay cả ở những nơi có thu nhập trung bình thấp hơn nhiều
Năng lượng giải phóng khi muối hòa vào nước là nhỏ, chỉ khoảng 3,9kJ/mol
Khối lượng mol của muối là 58g/mol và độ mặn trung bình của nước biển là khoảng 3,6%, nên trong 1㎥ nước biển có 1000×0.036/0.058=620 mol muối
Một thiết bị khử mặn hoàn hảo sẽ cần 2,4MJ để loại bỏ muối, tức khoảng 0.75kWh
Nếu giá điện là 10 cent mỗi kWh thì mức giá tối thiểu về lý thuyết cho 1㎥ nước ngọt là khoảng 8 cent
Giống như nâng 500 pound hoặc chạy marathon
Hãy nghĩ đến máy phân loại xu chỉ dùng trọng lực và các lỗ có kích thước khác nhau
Nếu sống ở vùng khô hạn gần nước mặn, thì biết cách dựng tạm một máy chưng cất năng lượng mặt trời là kỹ năng sinh tồn cơ bản rất đáng có
Nó thực sự rất đơn giản, dễ làm chẳng kém gì một dụng cụ chưng cất tự chế trong tù, và không cần nguồn động lực bên ngoài nào ngoài mặt trời
Tương tự, hệ thống lọc nước cơ bản dùng sỏi, cát và than mắc nối tiếp cũng là thứ ai cũng nên biết
Nó cũng đáng giá như một thí nghiệm khoa học ứng dụng để làm cùng trẻ em
Tôi cũng nghĩ việc tận dụng nhiệt mặt trời dựa trên nước là một lĩnh vực đáng được nghiên cứu thêm
Điện mặt trời có những ưu điểm riêng, nhưng nước rẻ, sạch và đáng tin cậy
Cách đơn giản là đun nước bằng mặt trời vào ban ngày rồi dùng để sưởi vào ban đêm là điều quen thuộc, và ở một số quy mô có lẽ còn có thể tạo ra một chu trình Carnot đủ hấp dẫn về mặt kinh tế
Cũng có các hệ thống điện mặt trời nhiệt dùng muối nóng chảy hoạt động theo nguyên lý tương tự